Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Влияние толщины бислоя на морфологические, оптические и электрические свойства наноламинатов Al2O3 / ZnO

Аннотация

Этот отчет в основном посвящен исследованию морфологических, оптических и электрических свойств Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO регулируются различной толщиной бислоя. Предложен механизм роста наноламинатов, основанный на осаждении атомного слоя и проникновении Al в слой ZnO. Шероховатость поверхности Al 2 О 3 / Наноламинатами ZnO можно управлять благодаря плавному эффекту вставки Al 2 О 3 слои. Толщина, оптические постоянные и информация о ширине запрещенной зоны наноламинов были исследованы методом спектроскопической эллипсометрии. Ширина запрещенной зоны и край поглощения имеют синий сдвиг с уменьшением толщины бислоя из-за эффекта Бурштейна-Мосса, эффекта размерного квантования и характерной эволюции наноламинат. Кроме того, обнаружено, что концентрации носителей заряда и удельное сопротивление значительно изменяются при различной толщине бислоя. Модуляция этих свойств жизненно важна для Al 2 О 3 / Наноламины ZnO будут использоваться в качестве прозрачного проводника и слоя с высоким сопротивлением в оптоэлектронных приложениях.

Фон

Наноламинат - это композитная структура, образованная различными последовательностями укладки различных материалов, а толщина слоя обычно в нанометровом масштабе [1,2,3,4]. Эта многослойная структура может наделять наноламинат уникальными свойствами, и эти свойства зависят или могут быть лучше, чем у составляющих материалов [5,6,7]. В последние годы новый вид материалов, основанный на структуре наноламината, начал использоваться для накопителей энергии [8], инновационных оптических элементов [9] и термочувствительных подложек для биосенсоров [10]. Недавно Viter et al. исследовал настройку структурных свойств и улучшение электронных и оптических свойств 1D PAN (полиакрилонитрил) ZnO / Al 2 О 3 наноламинаты, которые позволят использовать их в различных областях, таких как сенсоры и биосенсоры [11]. Байтимирова и др. также исследовал настройку структурных и оптических свойств наноламинатов графен / ZnO, которые могут найти применение в оптических, био- и химических сенсорах [12].

Как один из наиболее многообещающих кандидатов в прозрачные проводящие оксидные материалы (TCO), пленка ZnO (AZO), легированная алюминием, имеет множество преимуществ, таких как большой ресурс, низкая стоимость, нетоксичность и хорошая стабильность в водородной плазме. В общих исследованиях контроль уровня легирования Al является распространенным методом улучшения и модификации оптических и электрических характеристик материалов AZO [13, 14], что имеет решающее значение для достижения функционализации и настраиваемости устройств на основе TCO [15, 16]. Тем не менее, немногие отчеты связаны с модуляцией производительности AZO путем изменения структуры Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO, которые более просты и эффективны в процессе производства полупроводников.

Метод атомно-слоистого осаждения (ALD) подходит для изготовления наноламинатных структур для различных целей и приложений [17,18,19]. Этот метод основан на самоограничивающихся химических реакциях на поверхности с отличным эффектом осаждения, что позволяет хорошо контролировать толщину отдельных нанослоев для композитного пакета. Кроме того, между различными подслоями хорошее зародышеобразование и адгезия могут быть реализованы путем моделирования поверхностных реакций. Следовательно, высококачественные наноламинаты с однородной и гладкой поверхностью могут быть получены методом ALD, а толщина также может точно контролироваться.

В этой работе Ал 2 О 3 и ZnO были использованы для реализации наноламинатных структур с целью исследования настраиваемых характеристик AZO путем изменения толщины двухслойного Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO. Мы исследуем их морфологические, оптические и электрические свойства. Предложен и обсужден механизм роста наноламинатов и проникновения Al в слой ZnO. С уменьшением бислоя Al 2 О 3 / ZnO в наноламинатах, синий сдвиг запрещенной зоны наблюдается и обсуждается на основе эффекта Бурштейна-Мосса (BM), эффекта квантового ограничения и характерной эволюции наноламинов. Настраиваемые электрические свойства выявляются с помощью системы измерения, основанной на эффекте Холла. Он дает ценные справочные материалы и идеи о том, что прозрачного проводника и слоя с высоким сопротивлением можно достичь путем изменения толщины двухслойного наноламина.

Методы

Синтез наноламинатов с помощью ALD

Аль 2 О 3 / Наноламинаты ZnO на основе Al 2 О 3 -ZnO двухслойные стопки были нанесены на SiO 2 / Si и кварцевые подложки методом ALD. Во время процедуры осаждения температура реактора (PICOSUN) составляла 150 ° C. Предшественниками Zn, Al и O были диэтилцинк [DEZ; Zn (C 2 H 5 ) 2 ], триметилалюминий [ТМА; Al (CH 3 ) 3 ] и деионизированной воды (H 2 O) соответственно. В качестве прекурсора-носителя и продувочного газа использовался азот высокой чистоты (N 2 , расход 50 sccm). Он использовался для переноса прекурсоров в камеру и вывода ненужных продуктов из камеры.

Чтобы вырастить Al 2 О 3 слои, TMA и H 2 О альтернативно вводили в камеру реактора через ТМА-Н 2 O циклов (TMA / экспозиция / N 2 / H 2 O / экспозиция / N 2 ) с длительностью импульса 0,03 / 3/15 / 0,03 / 5/15 с. Поверхностные реакции ALD Al 2 О 3 слои могут быть определены двумя самоограничивающимися реакциями следующим образом [20]:

$$ {\ mathrm {AlOH}} ^ {\ ast} + \ kern0.5em \ mathrm {Al} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 3 \ to \ mathrm {AlOAl} {{ \ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {CH}} _ 4 $$ (1) $$ A \ mathrm {lOAl} {{ \ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to A {\ mathrm {lOAlOH}} ^ {\ kern0.5em \ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {CH}} _ 4 $$ (2)

где звездочки указывают на поверхностный вид. Что касается слоев ZnO, то DEZ-H 2 O циклов ZnO были такими же, как TMA-H 2 О. Поверхностные реакции слоев ALD ZnO приведены в [20]

$$ {\ mathrm {ZnOH}} ^ {\ kern0.5em \ ast} + \ kern0.5em \ mathrm {Zn} {\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ right )} _ 2 \ to {\ mathrm {ZnOZnC}} _ ​​2 {{\ mathrm {H}} _ 5} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 6 $ $ (3) $$ {\ mathrm {ZnOZnC}} _ ​​2 {{\ mathrm {H}} _ 5} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to { \ mathrm {ZnOZnOH}} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 6 $$ (4)

где звездочки также указывают на поверхностный вид. Структурная схема ALD Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO показаны на рис. 1. Для всех наноламинатов граница раздела с подложкой была Al 2 О 3 , а ZnO был верхним слоем на поверхности наноламинатов. Двухслойный слой состоит из двух отдельных слоев, то есть Al 2 О 3 и ZnO одинаковой толщины. Чтобы гарантировать одинаковую толщину общих наноламинатов, количество бислоев было увеличено с уменьшением толщины бислоя. Итак, было приготовлено пять видов образцов, названных 2 (25/25 нм), 5 (10/10 нм), 10 (5/5 нм), 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм). . Подробности можно найти в таблице 1. Обратите внимание, что параметры в таблице 1 являются эмпирическими значениями, которые получены в результате наших предварительных экспериментов.

Структурная схема Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO

Характеристика

Морфологическая характеристика Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ; FEI Tecnai G2 F20) и атомно-силовой микроскопии (АСМ; Bruker Dimension Icon VT-1000, Санта-Барбара, Калифорния). Толщина, оптические константы и информация о ширине запрещенной зоны определялись измерениями спектроскопической эллипсометрии (SE; J.A. Woollam, Inc., M2000X-FB-300XTF) в диапазоне длин волн 200–1000 нм под углом падения 65 °. Оптическое пропускание наноламинат также было изучено в диапазоне длин волн 200–1000 нм с использованием двухлучевого спектрофотометра (Shimadzu UV-3600). Система измерения эффекта Холла (Ecopia HMS3000) использовалась для получения электрических свойств образцов с помощью четырехточечного зонда.

Результаты и обсуждение

Морфологические характеристики

Наноламинаты с разной толщиной бислоя, выращенные на SiO 2 Поперечные сечения подложек / Si были измерены с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Три иллюстративных примера наноламинат с толщиной бислоя 50, 10 и 2 нм показаны на рис. 2, включая изображения с большим увеличением 50- и 10-нм образцов. Между Al 2 можно наблюдать четкие границы. О 3 и ZnO, а также указана общая толщина наноламинатов. С помощью предварительных измерений дифракции рентгеновских лучей (Bruker D8 ADVANCE) (здесь не приводится) мы не обнаружили характерных пиков Al 2 О 3 и ZnO, и, следовательно, все новые наноламинаты имеют аморфное состояние. Это утверждение подтверждается изображениями ПЭМ с большим увеличением. Хотя Al 2 О 3 Образцы / ZnO 2 (25/25 нм) имеют самый толстый бислой в данной работе, в них отсутствует процесс кристаллизации.

ПЭМ изображения Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO с разной толщиной бислоя: a 50 нм, b 10 нм и c 2 нм. И изображения с большим увеличением: d 50 нм и e 10 нм

Как сообщается в [6, 21], Al 2 О 3 слой в Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO, полученные методом ALD, всегда находятся в аморфной фазе и могут блокировать рост кристаллов ZnO, потому что ZnO ​​вынужден повторно образовывать ядра на Al 2 О 3 поверхность. Процесс кристаллизации ультратонких слоев очень сложен, и необходимо учитывать многие факторы, такие как энергия границы раздела, толщина слоев, температура плавления системы и температура объемной аморфной кристаллизации [6, 22]. Viter et al. обнаружил, что Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO с толщиной бислоя 20 нм (соотношение 1:1) имеют аморфную природу, и они приписали этот результат минимальной толщине, необходимой для кристаллизации [22]. Лопес и др. обнаружили подобное явление, и они подумали, что импульс, а также длительность продувки процедуры роста были слишком короткими, чтобы дать их пленкам достаточно времени для создания некоторого упорядочения и некоторых кристаллических фаз [23]. Между тем боровский радиус объемного ZnO ​​составляет 23 Å [4]. Аль 2 О 3 / ZnO 25 (2/2 нм) и Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO 50 (1/1 нм) имеют толщину ZnO меньше радиуса Бора; поэтому следует учитывать эффект размерного квантования. Считается, что этот эффект может вызвать резкое изменение диэлектрических свойств, особенно для полупроводниковых подслоев ZnO [21], и мы обсудим его в следующем содержании.

Чтобы исследовать морфологию поверхности наноламинатов, измерение АСМ применяется для образцов, осажденных на SiO 2 . / Si, а результаты 3D показаны на рис. 3. Можно заметить, что на поверхности образца преобладают холмистые элементы, а высота поверхности уменьшается с уменьшением толщины бислоя. Образцы с малой толщиной бислоя, т.е. Al 2 О 3 / ZnO 25 (2/2 нм) и Al 2 О 3 / ZnO 50 (1/1 нм), показывают гладкую поверхность с незначительной шероховатостью поверхности. Среднеквадратичная шероховатость R q каждого наноламината оценивается по данным АСМ и составляет приблизительно от 0,81 до 1,30 нм. Более того, соотношение между толщиной бислоя и R q показан на рис. 4. Сначала значения R q показывают линейное поведение в зависимости от увеличения толщины бислоя, то оно остается стабильным при увеличении толщины бислоя до определенного значения, как в случае других исследований [23, 24]. Аль 2 О 3 в данной работе находится в аморфной фазе при указанных выше условиях роста, что также было доказано в нашем предыдущем отчете [25]. Аморфный Al 2 О 3 слой очень гладкий и соответствует топографии нижележащих слоев ZnO [26]. Как упоминалось выше, из-за вставленного Al 2 О 3 слой, рост кристаллов ZnO, как следствие, прерывается. За счет ограничения размера нанокристаллов ZnO вставленный Al 2 О 3 слои предотвращают Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO от придания шероховатости [24]. Было доказано, что этот гладкий эффект имеет мало общего с Al 2 О 3 толщина слоя и относится только к количеству вставленных Al 2 О 3 слои [24]. Следовательно, с уменьшением толщины бислоя больше Al 2 О 3 слои были вставлены в наноламинаты для сглаживания шероховатости, что приводит к более гладким наноламинатам. Когда толщина бислоя увеличивается до определенного значения, этот эффект сглаживания становится не очевидным.

АСМ 3D-изображения наноламинатов с разной толщиной бислоя: a 2 (25/25 нм), b 5 (10/10 нм), c 10 (5/5 нм), d 25 (2/2 нм) и e 50 (1/1 нм)

Шероховатость поверхности наноламинатов с разной толщиной бислоя

Оптические свойства

Выполняя измерения SE [17, 27, 28], которые основаны на регистрации и вычислении изменения отраженного линейно поляризованного света от поверхности образцов, оптические константы и толщина пленки наноламинов могут быть выведены из необработанных данных. Для получения более точных деталей наноламинаты, выращенные на SiO 2 Подложки / Si выбраны в качестве объекта тестирования из-за их непрозрачности для света во время измерений SE. После сбора исходных данных строится многослойная модель, содержащая полубесконечную подложку Si, SiO 2 слой и слой AZO, как показано на рис. 5. Наноламинаты, то есть слой AZO в модели, считаются согласованными в целом. Слой окисления подложки Si составляет около 330 нм, который напрямую подставляется в модель без подгонки. Более того, в этой оптической модели не вводится приближение эффективных сред Бруггемана из-за игнорируемых шероховатостей поверхности образцов, основанных на результатах АСМ. В связи с этой оптической моделью, модель дисперсии Форухи-Блумера (FB) используется для соответствия спектрам эллипсометрии ( Ψ Δ в диапазоне 200–1000 нм) наноламинат [29, 30]. Окончательная толщина и оптические свойства подбираются и оцениваются для минимизации следующей среднеквадратичной ошибки (RMSE):

$$ \ mathrm {RMSE} =\ sqrt {\ frac {1} {2N-M-1} {\ sum} _ {i =1} ^ N \ left [{\ left ({\ psi} _i ^ {\ mathrm {cal}} - {\ psi} _i ^ {\ mathrm {exp}} \ right)} ^ 2 + {\ left ({\ varDelta} _i ^ {\ mathrm {cal}} - {\ varDelta} _i ^ {\ mathrm {exp}} \ right)} ^ 2 \ right]} $$ (5)

Оптическая модель образцов, выращенных на SiO 2 / Si подложка для анализа SE

Здесь N , M , exp и cal представляют количество точек данных в спектрах, количество переменных параметров в модели, экспериментальные данные и расчетные данные соответственно.

Установленные толщины наноламинат показаны в таблице 2. Они очень близки к значениям, полученным из измерений ПЭМ, что указывает на точность процесса подбора. Среднеквадратичная ошибка аппроксимации также показана в таблице 2, и ее значение находится в допустимых пределах, что демонстрирует надежность результатов аппроксимации. Толщина образца 2 (25/25 нм), 5 (10/10 нм) и 10 (5/5 нм) показывает плавный тренд, а небольшие колебания являются результатом различной степени химических реакций на поверхности ALD. Напротив, толщины образцов 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм) явно уменьшаются с уменьшением толщины бислоя. Отсюда следует, что Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO имеют разную толщину при малой толщине бислоя, даже если количество циклов остается неизменным в процессе осаждения. В таблице 3 приведены скорости роста Al 2 . О 3 и подслои ZnO (соотношение толщин 1:1) с использованием толщин, перечисленных в Таблице 2. Значения сначала увеличиваются, а в конце насыщаются, когда циклы в подслоях увеличиваются. Изменение толщины пленки и скорости роста может быть результатом межфазной реакции между Al 2 О 3 и слои ZnO, которые будут представлены в следующем материале, и образцы с меньшей толщиной бислоя будут подвержены большему воздействию. Karvonen et al. дали аналогичное объяснение и приписали изменение скорости роста травлению ZnO методом ТМА во время Al 2 О 3 рост [7]. Элам и др. обнаружили, что скорость роста Al 2 О 3 и ZnO увеличиваются с количеством циклов ALD [24]. Они пришли к выводу, что снижение скорости роста ранних циклов ALD может быть результатом процесса зародышеобразования, происходящего при переходе от Al 2 О 3 в ZnO и от ZnO в Al 2 О 3 . Только когда образуются новые кристаллы, скорость роста достигает значения стационарного состояния.

Оптические постоянные Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO показаны на рис. 6. Он показывает различные показатели преломления n и коэффициент экстинкции k с разной толщиной бислоя. На рис. 6а представлены спектры дисперсии показателя преломления наноламинатов с разной толщиной бислоя. Значения n постепенно уменьшаются с уменьшением толщины бислоя в диапазоне от 50 до 2 нм из-за изменения роста и проникновения Al [21, 31]. n ( λ ), характерные для ZnO, можно наблюдать для наноламинат с толщиной бислоя 50, 20 и 10 нм. И эта форма линии медленно вырождается и исчезает, когда толщина бислоя меньше 4 нм. Следовательно, n ( λ ) характеристики имеют тенденцию вести себя как Al 2 О 3 как показан образец 50 (1/1 нм). k Спектры дисперсии представлены на рис. 6б. Разные кривые представляют разные образцы с разной толщиной бислоя. В области 430–1000 нм коэффициенты экстинкции примерно равны 0, т. Е. Наноламинаты практически прозрачны в этой области длин волн. Между тем на краю поглощения происходит синий сдвиг при уменьшении толщины бислоя. Расстояние сдвига образца 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм) больше, поэтому край поглощения постепенно выходит за пределы спектральной области и представляет характеристики Al 2 О 3 . В целом характеристики оптических констант переходят от ZnO к Al 2 О 3 . Наблюдаемые изменения n и k может быть определено двумя физическими явлениями. С одной стороны, на них влияет эффект размерного квантования. Мы можем видеть, что образцы 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм) имеют толщину подслоя меньше, чем радиус Бора объемного ZnO, поэтому их диэлектрические свойства меняются более резко, чем у других образцов. С другой стороны, в его основе лежит механизм роста, который приводит к проникновению Al в слои ZnO [22, 24]. Согласно механизму роста, реакция замещения Zn на Al может происходить на границе раздела между ZnO и Al 2 О 3 слои:

$$ \ mathrm {Zn} \ hbox {-} {\ mathrm {OH}} ^ S + \ kern0.5em \ mathrm {Al} {{\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}}) _5 \ right)} _ 3} ^ g \ uparrow \ to \ mathrm {AlOH} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _ ​​2 {{\ mathrm {H}} _ 5} ^ s + \ kern0.5em \ mathrm { Zn} {{\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ right)} _ 2} ^ g \ uparrow $$ (6)

где ZnO-OH и Al (C 2 H 5 ) 3 - вещество на поверхности и газовая фаза соответственно. Из-за этой межфазной реакции может произойти легирование Al в слои ZnO, и соотношение ZnO в наноламинатах может быть уменьшено. Следовательно, с уменьшением толщины бислоя граница раздела между ZnO и Al 2 О 3 слоев увеличивается, и соответственно уменьшается доля ZnO в наноламинатах. В этом можно убедиться по изображениям ПЭМ с большим увеличением, представленным на рис. 2г, д. Когда толщина бислоя уменьшается, границы между Al 2 О 3 а слои ZnO становятся шире и размытыми. Это делает характеристики цельных наноламинатных переходов на Al 2 О 3 .

Оптические константы наноламинатов, выращенных на SiO 2 / Si подложка. а Показатель преломления n . б Коэффициент экстинкции k

Для лучшего понимания синего сдвига края поглощения применяется экстраполяция Таука для оценки информации о ширине запрещенной зоны наноламинат с толщиной бислоя 50, 20 и 10 нм. Для оценки запрещенной энергии использовались коэффициенты экстинкции наноламинатов. Коэффициенты экстинкции, запрещенной энергии и поглощения связаны согласно следующим формулам [32]:

$$ {\ left (\ alpha h \ upsilon \ right)} ^ 2 =A \ left (E- {E} _g \ right) $$ (7) $$ \ alpha =\ frac {4 k \ pi} { \ lambda} $$ (8)

где α - коэффициент оптического поглощения, A постоянная, а E г - энергия оптической запрещенной зоны. На основании формул. (7) и (8), график ( αhν ) 2 по сравнению с был выполнен, как показано на рис. 7. Значение запрещенной энергии E г может быть графически определено с помощью x ось и линейная аппроксимация в линейной части края поглощения, которая представлена ​​на вставке рис. 7. Информация о ширине запрещенной зоны образцов 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм) не показана на рис. 7, поскольку линейная часть края поглощения превышает спектральный диапазон, выделенный из спектров коэффициента экстинкции, что может привести к неточным результатам. Из рис. 7 видно, что ширина запрещенной зоны наноламината демонстрирует тенденцию к росту с уменьшением толщины бислоя, что можно интерпретировать как эффект BM [33,34,35]. Вставил Al 3+ занимает место Zn 2+ в интерфейсе Al 2 О 3 / ZnO и обеспечивает дополнительный электрон. Таким образом, в наноламинатах концентрация свободных носителей увеличивается, в результате чего энергия запрещенной зоны перемещается в область более высоких энергий. Следующее уравнение может точно описать этот эффект [35]:

$$ {E} _g ={E} _g ^ 0 + \ varDelta {E} _g ^ {\ mathrm {BM}} ={E} _g ^ 0 + \ frac {h ^ 2} {8 {m} _e ^ {\ ast}} {\ left (\ frac {3} {\ pi} \ right)} ^ {2/3} {n} _e ^ {2/3} $$ (9)

где Δ E г BM и E г 0 представляют приращение запрещенной зоны, вызванное эффектом BM и внутренней запрещенной полосой пропускания, а h , м e * , и n e - постоянная Планка, эффективная масса электрона в зоне проводимости и плотность электронных носителей соответственно.

Проведена оценка оптической ширины запрещенной зоны наноламинатов с различной толщиной бислоя

На рисунке 8 представлены спектры пропускания и поглощения всей группы. Обнаружено, что резкие края поглощения расположены в области от 200 до 400 нм, а именно в ультрафиолетовой области. Важно отметить, что края поглощения смещаются к более короткой длине волны (синий сдвиг) с уменьшением толщины бислоя, и эта тенденция точно близка к предыдущим результатам, рассчитанным на основе измерения SE. Этот синий сдвиг обусловлен эффектом BM, который приводит к увеличению ширины запрещенной зоны. Однако синий сдвиг не является последовательным, потому что в наноламинатах 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм) эффект квантового ограничения становится доминирующим, и межфазная реакция усиливается, что заставляет наноламинаты проявлять характеристики Аль 2 О 3 постепенно. На данный момент синий сдвиг представляет собой общий вклад эффекта BM, эффекта квантового ограничения и характерной эволюции наноламинат. Другими словами, эти три фактора вызывают огромный сдвиг границы поглощения. В целом край поглощения может модулироваться толщиной бислоя в ультрафиолетовой области (200–400 нм). В соответствии с этим он может применяться как детектор ультрафиолета. Кроме того, все Al 2 О 3 Наноламинаты / ZnO демонстрируют коэффициент пропускания более 90% в видимой и ближней инфракрасной областях, а также острый край полосы поглощения. Коэффициент пропускания здесь показывает почти такое же значение и тенденцию, что и у многих других материалов TCO [36], что позволяет использовать его в качестве материала TCO.

а Коэффициент пропускания и b Спектры поглощения наноламинатов, выращенных на кварцевых подложках с разной толщиной бислоя

Электрические свойства

Измерение эффекта Холла проводится для сопоставления результатов анализа с электрическими свойствами Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO. Наноламинаты, приготовленные на кварцевых подложках, выбираются в качестве тестовых образцов для устранения пространственного распределения удельного сопротивления, и на рис. 9 показаны результаты тестирования. Вначале концентрация носителей заряда и удельное сопротивление мало изменяются и остаются на уровне 10 19 . см −3 и 10 −2 Ом см соответственно. С уменьшением толщины бислоя резко падает концентрация носителей и увеличивается удельное сопротивление. Это можно интерпретировать как межфазную реакцию Al 2 О 3 / ZnO, что приводит к характерной эволюции наноламинатов. Наноламинаты демонстрируют изоляционные свойства Al 2 . О 3 постепенно и реализовать настраиваемость удельного сопротивления, изменяя их толщину бислоя. Кроме того, значения концентрации носителей в наноламинатах 2 (25/25 нм), 5 (10/10 нм) и 10 (5/5 нм) составляют 4,99 × 10 19 , 5,26 × 10 19 , и 8,91 × 10 19 см −3 , соответственно. Он показывает медленный рост в соответствии с объяснением результатов по ширине запрещенной зоны и значениями, примерно равными значениям материалов TCO из результатов других отчетов [25, 37]. Таким образом, эти три типа наноламинатов обладают не только хорошей электропроводностью, но и отличным светопропусканием в видимой и ближней инфракрасной областях. Это жизненно важно для Al 2 О 3 / Наноламинаты ZnO играют роль в области прозрачных проводников. Образцы 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм) демонстрируют изоляционные характеристики и реализуют возможность настройки удельного сопротивления, которая может применяться в качестве высокоомного слоя в полупроводниковых устройствах.

Концентрация носителей и удельное сопротивление наноламинатов, выращенных на кварцевой подложке с разной толщиной бислоя

Выводы

Мы исследовали морфологические, оптические и электрические свойства Al 2 . О 3 / ZnO наносится на бислой различной толщины от 2 до 50 нм. Четкие границы слоев и низкая шероховатость поверхности демонстрируют качественную морфологию наноламинатов, полученных методом ALD. С уменьшением толщины бислоя вставлен Al 2 О 3 слои в наноламинатах начинают ограничивать шероховатость, что приводит к более гладким наноламинатам. Когда толщина бислоя достигает определенного значения, этим ограничением шероховатости можно пренебречь. Толщина, оптические константы и информация о ширине запрещенной зоны наноламинат были извлечены из анализа SE. С уменьшением толщины бислоя край поглощения коэффициента экстинкции имеет синий сдвиг, а энергии оптической запрещенной зоны демонстрируют тенденцию к росту, поскольку на них существенно влияют эффект BM, эффект размерного квантования и характерная эволюция наноламинов. Этот синий сдвиг также возникает в спектрах пропускания и поглощения с высоким коэффициентом пропускания, превышающим 90%, в видимой и ближней инфракрасной областях. Кроме того, изменяя толщину бислоя, электрические свойства также показывают два вида характеристик, и осуществляется модуляция характеристик. Наноламинаты 2 (25/25 нм), 5 (10/10 нм) и 10 (5/5 нм) показывают высокую концентрацию носителя выше 10 19 см −3 , который может применяться как прозрачный проводящий материал. А также наноламинаты 25 (2/2 нм) и 50 (1/1 нм), обладающие высоким удельным сопротивлением, могут быть использованы в качестве высокоомного слоя в процессе производства полупроводников.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

ALD:

Осаждение атомного слоя

AZO:

ZnO, легированный алюминием

BM:

Бурштейн-Мосс

DEZ:

Диэтилцинк

FB:

Форухи-Блумер

RMSE:

Среднеквадратичная ошибка

SE:

Спектроскопическая эллипсометрия

совокупная стоимость владения:

Прозрачный проводящий оксид

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

TMA:

Триметилалюминий


Наноматериалы

  1. Модуляция свойств электронной и оптической анизотропии ML-GaS вертикальным электрическим полем
  2. Легкий синтез и оптические свойства малых нанокристаллов и наностержней селена
  3. Оптические и электрические характеристики кремниевых нанопроволок, полученных методом химического травлен…
  4. Влияние распределения наночастиц золота в TiO2 на оптические и электрические характеристики сенсибилизирован…
  5. Формирование и люминесцентные свойства нанокомпозитов Al2O3:SiOC на основе наночастиц оксида алюминия, модифици…
  6. Влияние воды на структуру и диэлектрические свойства микрокристаллической и наноцеллюлозы
  7. Настройка морфологии поверхности и свойств пленок ZnO путем создания межфазного слоя
  8. Эффекты взаимодействия поверхностных плазмонных поляритонов и магнитных дипольных резонансов в метаматери…
  9. Исследование структурных, электронных и магнитных свойств кластеров Ag n V (n =1–12)
  10. Изготовление и характеристика ZnO Nano-Clips с помощью процесса, опосредованного полиолом